Částicová sprcha - Particle shower

v částicová fyzika, a sprcha je kaskáda sekundárního částice vyrobeno jako výsledek vysoceenergie částice interagující s hustou hmotou. Přicházející částice interaguje a vytváří několik nových částic s menší energií; každý z nich potom interaguje stejným způsobem s procesem, který pokračuje, dokud nevznikne mnoho tisíců, milionů nebo dokonce miliard nízkoenergetických částic. Ty jsou poté v hmotě zastaveny a absorbovány.^[1]

Typy

Začátek elektromagnetické sprchy.

Existují dva základní typy sprch. Elektromagnetické sprchy jsou produkovány částicemi, které interagují primárně nebo výlučně prostřednictvím elektromagnetická síla, obvykle a foton nebo elektron. Hadronové sprchy jsou vyráběny hadrony (tj. nukleony a další částice vyrobené z kvarky ), a pokračujte většinou přes silná jaderná síla.

Elektromagnetické sprchy

Elektromagnetická sprcha začíná, když do materiálu vstupuje vysokoenergetický elektron, pozitron nebo foton. Při vysokých energiích (nad několika MeV, pod kterým fotoelektrický efekt a Comptonův rozptyl jsou dominantní), fotony interagují s hmotou primárně prostřednictvím výroba párů - to znamená, že se přemění na elektron-pozitron pár, interakce s atomové jádro nebo elektron, aby se konzervoval hybnost. Vysokoenergetické elektrony a pozitrony primárně emitují fotony, což je proces zvaný bremsstrahlung. Tyto dva procesy (výroba párů a bremsstrahlung) pokračují, dokud fotony neklesnou pod prahovou hodnotu výroby párů a nezačnou dominovat energetické ztráty elektronů jiných než bremsstrahlung. Charakteristické množství hmoty procházející pro tyto související interakce se nazývá délka záření ${ displaystyle X_ {0}}$. ${ displaystyle X_ {0}}$ je jak střední vzdálenost, na které vysokoenergetický elektron ztrácí veškerou svou energii kromě 1 / e bremsstrahlung a 7/9 střední volné dráhy pro produkci párů vysokoenergetickým fotonem. Délka kaskády se mění s ${ displaystyle X_ {0}}$; „hloubka sprchy“ je přibližně určena vztahem

${ displaystyle X = X_ {0} { frac { ln (E_ {0} / E _ { mathrm {c}})}} ln 2}},}$

kde ${ displaystyle X_ {0}}$ je délka záření věci a ${ displaystyle E _ { mathrm {c}}}$ je kritická energie (kritickou energii lze definovat jako energii, ve které jsou si rovny rychlosti bremsstrahlung a ionizace. Hrubý odhad je ${ displaystyle E _ { mathrm {c}} = 800 , mathrm {MeV} /(Z+1.2)}$). Hloubka sprchy se logaritmicky zvyšuje s energií, zatímco boční šíření sprchy je způsobeno hlavně vícenásobným rozptylem elektronů. Až do maxima sprchy je sprcha obsažena ve válci s poloměrem <1 délka záření. Za tímto bodem jsou elektrony stále více ovlivňovány vícenásobným rozptylem a boční velikostní stupnice s Molièrovým poloměrem ${ displaystyle R _ { mathrm {M}}}$. Šíření fotonů ve sprše způsobuje odchylky od škálování poloměru Molièra. Zhruba 95% sprchy je však umístěno bočně ve válci s poloměrem ${ displaystyle 2R _ { mathrm {M}}}$.

Střední podélný profil depozice energie v elektromagnetických kaskádách je rozumně dobře popsán distribucí gama:

${ displaystyle { frac {dE} {dt}} = E_ {0} b { frac {(bt) ^ {a-1} e ^ {- bt}} { gama (a)}}}$

kde ${ displaystyle t = X / X_ {0}}$, ${ displaystyle E_ {0}}$ je počáteční energie a ${ displaystyle a}$ a ${ displaystyle b}$ jsou parametry, které mají být vybaveny Monte Carlem nebo experimentálními údaji.

Hadronové sprchy

Fyzikální proces, který způsobuje šíření hadronové sprchy, se značně liší od procesů v elektromagnetických sprchách. Asi polovina dopadající energie hadronu se přenáší na další sekundární zdroje. Zbytek se spotřebuje ve výrobě více částic pomalými piony a v jiných procesech. Fenomény, které určují vývoj hadronových sprch, jsou: produkce hadronu, deexcitace jader a rozpad pionů a mionů. Množství neutrálních pionů je v průměru na 1/3 vyrobených pionů a jejich energie je rozptýlena ve formě elektromagnetických sprch. Další důležitou vlastností hadronové sprchy je, že její vývoj trvá déle než elektromagnetické. To lze vidět porovnáním počtu přítomných částic ve srovnání s hloubkou pro sprchy iniciované piony a elektrony. Podélný vývoj hadronových sprchových šupin s absorpcí jader (nebo délkou interakce)

${ displaystyle lambda = { frac {A} {N_ {A} sigma _ { mathrm {abs}}}}}$

Vývoj boční sprchy se neomezuje na λ.^{[Citace je zapotřebí ]}

Teoretická analýza

Jednoduchý model kaskádové teorie elektronických sprch lze formulovat jako soubor integro-parciálních diferenciálních rovnic.^[2] Nechť Π (E, x) dE a Γ (E, x) dE je počet částic a fotonů s energií mezi E a E + dE (zde x je vzdálenost podél materiálu). Podobně nechť γ (E, E ') dE' je pravděpodobnost na jednotku délky dráhy fotonu energie E k produkci elektronu s energií mezi E 'a E' + dE '. Nakonec nechť π (E, E ') dE' je pravděpodobnost na jednotku délky dráhy elektronu energie E emitujícího foton s energií mezi E 'a E' + dE '. Množina integro-diferenciálních rovnic, které řídí Π a Γ, je dána vztahem

${ displaystyle { begin {aligned} { frac {d Pi (E, x)} {dx}} & = 2 int _ {E} ^ { infty} Gamma (u, x) gamma ( u, E) du + int _ {E} ^ { infty} Pi (u, x) pi (u, uE) du- int _ {0} ^ {E} Pi (E, x) pi (E, Eu) du { frac {d Gamma (E, x)} {dx}} & = int _ {E} ^ { infty} Pi (u, x) pi (u , E) du- int _ {0} ^ {E} Gamma (E, x) gamma (E, u) du. End {zarovnáno}}}$

γ a π se nacházejí v^[3] pro nízké energie a dovnitř^[4] pro vyšší energie.

Příklady

Kosmické paprsky pravidelně zasáhnou zemskou atmosféru a při průchodu atmosférou vytvářejí sprchy. Bylo to z těchto vzduchové sprchy že první miony a piony byly detekovány experimentálně a dnes je využívá řada experimentů k pozorování ultra-vysokoenergetické kosmické paprsky. Některé experimenty, jako Fly's Eye, pozorovali viditelnou atmosféru fluorescence vyrobené při špičkové intenzitě sprchy; ostatní, jako Experiment Haverah Park, detekovali zbytky sprchy vzorkováním energie uložené na velké ploše na zemi.

v detektory částic postaveno na vysoké energii urychlovače částic, zařízení zvané a kalorimetr zaznamenává energii částic tím, že způsobuje, že vytvářejí sprchu, a poté měří energii uloženou jako výsledek. Mnoho velkých moderních detektorů má obojí elektromagnetický kalorimetr a a hadronový kalorimetr, přičemž každý je speciálně navržen tak, aby produkoval konkrétní druh sprchy a měřil energii souvisejícího typu částic.

Viz také

• Vzduchová sprcha (fyzika), rozsáhlá (mnoho kilometrů široká) kaskáda ionizovaných částic a elektromagnetická radiace vyrobené v atmosféra když hlavní kosmický paprsek (tj. jeden z mimozemského původu) vstupuje do naší atmosféry.
• Projekt dalekohledu
• Dalekohled MAGIC Čerenkov
• Experiment s vodou ve vysoké nadmořské výšce Čerenkov
• Observatoř Pierra Augera
• Experimentální kalorimetry ATLAS
• CMS experiment, elektromagnetické a hadronic kalorimetry
• Kolize kaskády, sada srážek mezi atomy v pevné látce

Reference

• „Průchod částic hmotou“, z S. Eidelman; et al. (2004). "Recenze částicové fyziky". Fyzikální písmena B. 592 (1–4): 1–5. arXiv:astro-ph / 0406663. Bibcode:2004PhLB..592 .... 1P. doi:10.1016 / j.physletb.2004.06.001.